¿Qué es una Pila de Combustible de Fosfato?
Las pilas de combustible de fosfato son un tipo de sistema de conversión energética que emplea una solución acuosa de ácido fosfórico como electrolito.
Estas pilas de combustible utilizan hidrógeno como fuente de energía, el cual se obtiene mediante la reforma de gas ciudad o gas LP. Su funcionamiento se basa en la generación de electricidad a través de una reacción electroquímica. A diferencia de otros tipos de pilas de combustible, como las de electrolito polimérico, las pilas de combustible de fosfato se desarrollaron en la década de los años 70 y fueron introducidas en el mercado rápidamente. Esto les confiere una ventaja en términos de desempeño y confiabilidad.
No obstante, existen algunas limitaciones. Por un lado, presentan una menor eficiencia en la generación de energía por unidad de volumen en comparación con otras tecnologías. Además, su coste tiende a ser más elevado debido al empleo de catalizadores de platino. Estas pilas operan principalmente a altas temperaturas, alrededor de 200°C, aunque en situaciones de bajas temperaturas es importante tomar precauciones para evitar la exposición al monóxido de carbono, que puede afectar su funcionamiento.
Aplicaciones de las Pilas de Combustible de Fosfato
Las pilas de combustible de fosfato son extremadamente fiables y duraderas. Como tales, ya se han instalado en hospitales, hoteles, edificios de oficinas y plantas de tratamiento de aguas residuales. Se utilizan principalmente como fuentes de energía estacionarias para compensar su punto débil: la baja eficiencia en la generación de energía.
Los paquetes de pilas de combustible incluyen la pila propiamente dicha, un inversor que convierte la corriente continua generada en corriente alterna, un reformador que transforma el combustible en hidrógeno, una unidad de refrigeración y una unidad de control. Se han puesto en práctica productos con capacidades de generación de unos 100 kW, que se utilizan para generar electricidad reformando hidrocarburos, un subproducto del gas ciudad y de las operaciones de las fábricas. El sistema genera electricidad mediante el suministro de hidrógeno reformado a partir de gas ciudad o hidrocarburos, que son subproductos de las operaciones de la fábrica.
La electricidad se genera a temperaturas de unos 200°C, y muchos productos incorporan un mecanismo de sistema de cogeneración que utiliza el calor residual como fuente de suministro de calor para piscinas de agua caliente y otras aplicaciones. En el futuro, se espera que el coste de la generación de energía se reduzca aún más utilizando no sólo hidrógeno reformado a partir de gas ciudad o gas LP, sino también hidrógeno generado como subproducto de las distintas plantas.
Además, como la energía se genera reformando gas en hidrógeno, es posible cambiar de tipo de gas y seguir generando energía incluso si el suministro de gas ciudad o gas LP se interrumpe debido a una catástrofe.
Principio de las Pilas de Combustible de Fosfato
Las pilas de combustible de fosfato generan fuerza electromotriz convirtiendo en electricidad la energía química generada cuando el hidrógeno se oxida para formar agua.
1. Reformado del Gas Natural
Cuando se utiliza gas de ciudad como materia prima, se suministra hidrógeno de gran pureza a los electrodos de combustible mediante los procesos de desulfuración, reformado con vapor y oxidación del monóxido de carbono. La desulfuración es un proceso en el que el contenido de azufre del gas natural se convierte en sulfuro de hidrógeno (H2S) altamente reactivo mediante un catalizador de desulfuración, como un catalizador a base de Ni o Mo, que luego es adsorbido y eliminado por óxido de zinc (ZnO).
El vapor desulfurado reacciona con el vapor de agua en presencia de un catalizador para formar hidrógeno y monóxido de carbono. Se utilizan catalizadores a base de níquel y rutenio. Esta reacción es endotérmica y, por lo tanto, requiere el aporte de calor. Generalmente, se utiliza el calor procedente de la combustión del hidrógeno sobrante.
El monóxido de carbono que se produce aquí es una sustancia que provoca el envenenamiento del catalizador de platino (adsorción en el lugar de reacción del catalizador, lo que reduce la eficacia de la reacción catalítica), pero la concentración admisible de monóxido de carbono es mayor que en las pilas de combustible de electrolito polimérico porque funcionan a unos 200°C.
2. Generación de Energía
El hidrógeno suministrado al electrodo de combustible se oxida bajo un catalizador de platino a iones de hidrógeno y electrones, que se suministran a una solución electrolítica de ácido fosfórico, mientras que en el lado del electrodo de aire, el oxígeno del aire recibe electrones y reacciona con los iones de hidrógeno para producir agua. A continuación, los electrones se mueven a través de un circuito externo, lo que permite extraer electricidad.
La fuerza electromotriz generada por esta pila es de 1,23 V, inferior a la de las pilas de iones de litio, por ejemplo. Por lo general, se requiere una tensión de unos 200 V para utilizarla como fuente de energía institucional, por lo que se apilan varias pilas.
Configuración de las Pilas de Combustible de Fosfato
El electrodo de combustible está hecho de carbono poroso, que no se corroe fácilmente con el ácido fosfórico y permite que los gases lo atraviesen con facilidad. El electrolito es una solución de ácido fosfórico.
El electrolito se intercala entre el electrodo de combustible y el electrodo de aire, con un separador que separa cada célula. Los electrodos de combustible y de aire están cargados con un catalizador de platino.